Belajar Cloud Hypervisor - Boot Pertama: Linux & UEFI

#Pendahuluan

Setelah binary terpasang di episode 3, tibalah momen yang paling ditunggu: membuat VM pertama kali hidup. Di episode 4 kita menempuh dua jalur boot yang menjadi fondasi seluruh series — direct boot (kernel dimuat langsung oleh VMM) dan firmware boot (UEFI/EDK2 atau hypervisor-fw yang mem-boot sistem).

Mengapa perlu memahami keduanya? Karena keduanya menjawab kebutuhan berbeda. Direct boot memberi kontrol penuh dan boot tercepat — ideal untuk microVM dan Kata Containers. Firmware boot diperlukan untuk menjalankan sistem operasi utuh dengan boot loader sendiri, seperti Ubuntu dengan GRUB atau Windows. Kalian akan memakai keduanya bergantung workload.

#Menyiapkan Aset Boot

#Kernel Linux: vmlinux

Untuk direct boot, kalian butuh kernel Linux berbentuk vmlinux (ELF) atau bzImage. Cloud Hypervisor memakai protokol boot PVH untuk memuat ELF secara langsung — protokol yang dirancang khusus agar hypervisor bisa boot kernel tanpa firmware.

Cara praktis mendapat kernel: unduh dari distribusi atau dari halaman rilis Cloud Hypervisor yang menyediakan kernel build khusus:

wget https://github.com/cloud-hypervisor/cloud-hypervisor/releases/download/v53.0/kernel-vmlinux
file kernel-vmlinux

file harus mengidentifikasinya sebagai ELF executable. Kernel build Cloud Hypervisor sudah memuat driver virtio-blk, virtio-net, dan configs yang dibutuhkan — sangat cocok untuk eksperimen series ini.

#Cloud Image sebagai Disk

Sediakan image rootfs. Kita mulai dari Ubuntu cloud image dan ubah ke format raw dengan qemu-img (kita bahas format storage lebih dalam di episode 6):

qemu-img convert -O raw ubuntu-24.04-server-cloudimg-amd64.img ubuntu.raw
qemu-img info ubuntu.raw

qemu-img convert -O raw menyalin isi image ke format raw sehingga bisa dibaca langsung oleh virtio-blk. Nanti di episode 9 kita akan memasang cloud-init agar guest bisa di-login.

#Direct Boot: --kernel vmlinux

Struktur paling dasar menjalankan Linux lewat direct boot:

cloud-hypervisor \
  --kernel kernel-vmlinux \
  --disk path=ubuntu.raw \
  --cpus boot=4 \
  --memory size=4G \
  --net tap=ch0,ip=192.168.100.1,mac=a8:21:95:80:35:e6 \
  --console off \
  --serial tty \
  --cmdline "console=ttyS0 root=/dev/vda1 rw quiet"

Mari bedah flag-nya:

• --kernel kernel-vmlinux: kernel dimuat langsung via PVH — tanpa firmware.
• --disk path=ubuntu.raw: disk virtio-blk pertama (dikenali guest sebagai /dev/vda).
• --cpus boot=4: empat vCPU.
• --memory size=4G: RAM 4 GB.
• --net tap=ch0,ip=192.168.100.1,mac=...: NIC TAP dengan IP host di bridge TAP.
• --console off --serial tty: mengalihkan serial ke terminal sehingga log kernel terlihat.
• --cmdline: parameter kernel — root=/dev/vda1 menunjuk partisi root di disk raw.

Jika boot sukses, kalian akan melihat baris-baris log kernel lalu login prompt Ubuntu. root=/dev/vda1 harus disesuaikan dengan layout partisi image yang dipakai.

#Firmware Boot: hypervisor-fw dan CLOUDHV.fd

#rust-hypervisor-firmware (hypervisor-fw)

rust-hypervisor-firmware adalah firmware minimal berbasis Rust yang melakukan setup hardware dasar lalu melompat ke kernel. Cara pakainya:

cloud-hypervisor \
  --firmware hypervisor-fw \
  --kernel kernel-vmlinux \
  --disk path=ubuntu.raw \
  --cpus boot=4 \
  --memory size=4G \
  --serial tty

Perhatikan bahwa kernel tetap disediakan lewat --kernel; firmware hanya menjembatani setup awal. Jalur ini meniru alur boot firmware sesungguhnya sehingga lebih dekat dengan perilaku hardware nyata.

#edk2 UEFI: CLOUDHV.fd

Untuk sistem operasi penuh — Ubuntu dengan GRUB, Fedora, Debian, atau Windows — gunakan firmware UEFI berbasis edk2 yang disediakan sebagai CLOUDHV.fd:

cloud-hypervisor \
  --firmware CLOUDHV.fd \
  --disk path=ubuntu.raw \
  --cpus boot=4 \
  --memory size=4G \
  --net tap=ch0,ip=192.168.100.1,mac=a8:21:95:80:35:e6 \
  --serial tty

Di sini tidak ada --kernel maupun --cmdline: firmware UEFI membaca disk, menjalankan GRUB yang tersimpan di image, dan GRUB-lah yang memuat kernel. Inilah alur yang sama seperti boot laptop kalian — hanya saja di dalam VM.

#Memilih Jalur Boot yang Tepat

Perbandingan praktis:

• Direct boot (PVH): boot tercepat (milidetik), kontrol penuh atas cmdline, tanpa dependency firmware. Cocok untuk workload terkelola penuh, microVM, dan backend Kata.
• hypervisor-fw: hampir secepat direct boot, tapi dengan lapisan firmware ringan untuk kompatibilitas.
• CLOUDHV.fd (UEFI): wajib untuk OS dengan boot loader sendiri dan Windows; boot lebih lambat karena ada inisialisasi UEFI.

direct boot (PVH)  <  hypervisor-fw  <  CLOUDHV.fd (UEFI/GRUB)
   tercepat                                paling lengkap

#Pitfall Umum

• Serial console tidak muncul: pastikan --serial tty dan console=ttyS0 di cmdline konsisten.
• Root fs tidak ketemu: cek partisi root image (/dev/vda1 vs /dev/vda15 untuk image UEFI).
• Image UEFI di-boot direct: image yang butuh GRUB/ESP tidak akan boot via PVH tanpa partisi yang benar — gunakan CLOUDHV.fd.
• KVM tidak tersedia: kembali ke verifikasi episode 3 sebelum menuduh konfigurasi.

#Penutup

Inti yang harus dibawa pulang:

• Direct boot dengan --kernel vmlinux memakai protokol PVH: cepat dan tanpa firmware.
• --cmdline meneruskan parameter kernel; root= harus cocok dengan partisi root image.
• hypervisor-fw adalah firmware minimal untuk setup awal sebelum kernel.
• CLOUDHV.fd (edk2) dibutuhkan untuk OS penuh (GRUB) dan Windows.
• Console serial (--serial tty, console=ttyS0) adalah mata kalian saat boot.

Di episode 5 selanjutnya kita akan mengatur CPU, memory, dan machine config — --cpus boot=N dengan topology dan fitur, --memory dengan hotplug dan hugepages, serta membandingkan flag CLI dengan file konfigurasi JSON via --config. Ini fondasi untuk mendesain VM yang benar-benar sesuai kebutuhan workload.